尼古拉斯·斯特劳斯菲尔德认为，微小的大脑是一件美妙的东西。在他的 35 年职业生涯中，这位亚利桑那大学图森分校的神经生物学家深入研究了蟑螂、水蝽、丝绒虫、丰年虾以及数十种其他无脊椎动物的微小大脑结构。利用显微镜、镊子和自制电子设备，他和他的研究生们极其小心地逐个细胞地研究着那些只有几粒盐大小的大脑结构的工作原理。通过这种枯燥的分析，斯特劳斯菲尔德得出结论：昆虫拥有“这个星球上最复杂的大脑”。
斯特劳斯菲尔德和他的学生们并非唯一痴迷于此的人。圣迭戈神经科学研究所 (NSI) 的研究员布鲁诺·范·斯温德伦在昆虫身上发现了高等认知功能的迹象——这些线索揭示了某个科学期刊所称的“意识的遥远根源”。
“许多人会嗤之以鼻，认为昆虫的大脑在任何方面都无法与灵长类动物相比，”斯特劳斯菲尔德补充道。“但我们必须考虑构建大脑的基本原理，而这些原理很可能是普遍适用的。”
这些发现存在争议。“我迄今为止看到的证据并不能说服我，”加州理工学院的神经科学家吉勒斯·劳伦特说。但一些研究人员正在考虑一些可能令大多数普通观察者震惊的可能性。“我们真的不知道在什么程度的大脑复杂性下，意识会停止，”另一位加州理工学院的神经科学家克里斯托夫·科赫说。“大多数人会说：‘老天爷，虫子怎么可能是有意识的？’但我们怎么知道呢？我们不确定了。我再也不会无缘无故地杀死虫子了。”
瑞士巴塞尔大学的海因里希·赖歇特对“所有大脑的亲缘关系”越来越感兴趣。赖歇特自己的大脑起源研究指向了一个鲜为人知的祖先，一个叫做原双侧对称动物 (Urbilateria) 的卑微生物，它在大约十亿年前蠕动着在水中游动。作为所有两侧对称动物的祖宗，原双侧对称动物是蜘蛛、蜗牛、昆虫、两栖动物、鱼类、蠕虫、鸟类、爬行动物、哺乳动物、螃蟹、蛤蜊——当然，还有人类——的祖先。
当然，从数量上看，将昆虫大脑视为原始是有充分理由的。人类拥有 100,000,000,000 个脑细胞。蟑螂拥有近 1,000,000 个脑细胞；果蝇只有 250,000 个。尽管如此，昆虫却展现出令人印象深刻的信息处理能力：它们的神经元在大脑中的密度是哺乳动物的 10 倍。它们使用每个脑细胞的灵活性也比哺乳动物高。单个神经元的几个远端分支可以独立运作——在不增加细胞数量的情况下提升计算能力。不知何故，这种电路使得一只蜜蜂，仅凭不到一百万个神经元，就能从蜂巢出发，漫游六英里，找到食物，然后直线飞回巢穴。即使有地图和指南针，很少有人类能做到这一点。
表面上看，昆虫和哺乳动物的大脑毫无相似之处。只有通过对细胞连接的研究，才显现出惊人的相似性。一天下午，斯特劳斯菲尔德的一名博士生克里斯托弗·西奥尔向我展示了他用来探测蟑螂大脑中一个称为“蘑菇体”的区域的实验装置。这个蘑菇状的大脑结构被认为与哺乳动物的海马体相似，海马体是大脑中负责形成地点记忆的组成部分。
“我们正在尝试做的是，”西奥尔说，当我们走进一个狭窄的实验室时，“将过去在老鼠和大猿大脑中使用的技术缩小规模——缩小到只有千分之一大小的大脑上。”
西奥尔的实验装置放在一个漂浮在减震充气空气上的桌子上。即使是外面走廊上的一辆小车发出的响声也可能破坏实验。由于西奥尔需要记录仅为百万分之一伏特的神经冲动，所以桌子被围在一个笼子里，以阻止房间灯光产生的电磁干扰。西奥尔在显微镜下，用镊子，稳稳地握着双手，屏住呼吸，将直径仅为红细胞两倍的铜线制成电极，然后插入蟑螂的大脑。
“它们很脆弱，”他说。“即使是开门产生的微风也会毁掉几个小时的工作。”
蟑螂大脑中成对的蘑菇体在导航中起着关键作用。
经过 20 小时的准备，西奥尔可以开始实验了。他一边转动旋钮，一边盯着显微镜，将电极插入蟑螂的大脑，直到它到达一个蘑菇体。在实验过程中，西奥尔将训练这只蟑螂以获得奖励：如果昆虫将触角指向某些地标，它将得到令人兴奋的花生酱气味。西奥尔想窃听神经元，以确定它们如何促成学习这些地标的位置。
实验的最后一步——解剖蘑菇体——让西奥尔能够看到他监测到的两三个细胞。由于这些细胞吸收了电极释放的铜，他可以区分它们与其他 200,000 个蘑菇体内的脑细胞。然后，西奥尔用笔、纸和灯箱勾勒出每个细胞的结构。这就像画一棵扭曲的橡树，直到最后一根树枝，重建一个细胞可能需要两天。西奥尔是斯特劳斯菲尔德实验室里一个典型的学生，在他的博士论文完成之前，他将进行数百次类似的实验。
西奥尔和斯特劳斯菲尔德不知道当他们探测蟑螂的蘑菇体时，会触及成千上万的哪个细胞。然而，通过一遍又一遍地重复实验，他们正在拼凑出存在的细胞类型、这些细胞在地点记忆任务中的功能以及它们与其他细胞形成的连接类型。他们希望逐个细胞地拼凑出该结构的电路。
在他的办公室里聊天时，斯特劳斯菲尔德画了一个蘑菇体，并指出它与哺乳动物中负责记忆和地点定位的大脑中心——海马体——有几个相似之处。基部由数千根平行神经纤维组成，它们像木头的纹理一样聚集在一起；基部上方，纤维在环路中发出连接，看起来像高速公路上的车道；这就是这个大脑部分被称为“蘑菇体”的原因。这些连接在顶部附近重新连接到纤维上。斯特劳斯菲尔德怀疑这些环状通路将相关信息片段汇集在一起，例如蟑螂在往返家园途中遇到的各种地标的视觉和气味。
“结构的几何形状，”他说，“与（人类的）海马体惊人地相似。”斯特劳斯菲尔德和其他人正在寻找线索，以确定这些相似性是源于深厚而古老的亲缘关系，还是仅仅源于为了生存而独立进化的相似解决方案。
在神经科学研究所的地下实验室里，范·斯温德伦正在观察一只悬浮在类似微型 IMAX 影院中的苍蝇。这个装置旨在监测苍蝇大脑的注意力焦点。一个 LED 屏幕环绕着苍蝇，在其眼前显示一系列闪烁的物体，一次显示两个物体。现在是 X 和一个方块。X 每秒闪烁 12 次，方块每秒闪烁 15 次。
“你可以利用这些闪烁，”范·斯温德伦告诉我，“来提取苍蝇注意力的焦点。目前，”他说，“它正专注于 X。”
范·斯温德伦已将一根电极插入苍蝇大脑，以监测其神经活动。透过电极渗出的锯齿状脑电波在电脑屏幕上滚动。在这些锯齿状峰值的一片混乱中，隐藏着两个微小的信号：一个波每秒上升下降 12 次，另一个波每秒上升下降 15 次。这两段波浪源于成千上万个对两个闪烁物体做出反应的脑细胞。响应某个物体的细胞越多，对应的波就越高。通过观察哪个波更高，范·斯温德伦就可以知道苍蝇将更多的注意力集中在哪一个目标上。
范·斯温德伦更喜欢称之为“显著性”而不是“注意力”，因为他不想暗示苍蝇是有意识的。但无论这种感知焦点称为什么，在苍蝇身上找到它对于理解人类意识的根源具有重大意义。我们每时每刻都被来自眼睛、耳朵、鼻子和皮肤每一寸的感官信息淹没。注意力的游走焦点——我们心灵的眼睛——决定了我们实际上将这股涌入信息的极小一部分纳入意识，并可能将其存档为记忆。
范·斯温德伦经常同时记录一个称为内侧顶叶的较大昆虫大脑区域三个位置的脑电波。乍一看，这些区域的混乱脑电波似乎像莫扎特、性手枪乐队和图瓦喉歌一样五花八门。但只要苍蝇保持警觉并专注于某物，在那片混乱中就存在着一大群神经元在所有三个区域同步发出相同的波形。该波形代表苍蝇正在关注的事物，并且当它的注意力从一个事物转移到另一个事物时，波形也会发生变化。范·斯温德伦之所以能检测到这种合唱，是因为他精心设计了他的实验，利用这个小小的 IMAX 影院来确定苍蝇会关注什么。这生动地说明了注意力：每个神经元都在唱同一首歌——方块的歌。
“注意力，”范·斯温德伦说，“是一种全脑现象。事物不是纯粹视觉的，也不是纯粹嗅觉的。它是一种将不同部分结合在一起，对我们来说代表着一件事。为什么苍蝇的机制（注意力）不能被导向一系列记忆呢？”他问道。“对我来说，这仅仅是通往可能存在的意识的一小步、一小跳。”苍蝇和人类记忆之间的区别可能只是程度问题。人类可以存储更多的记忆，因此可以维持更复杂的关于过去和现在的个人叙事。但范·斯温德伦认为，“苍蝇和人类的机制可能完全相同。”尽管仍然没有证据可以确定哪种情况属实，但结果可能是意识。
“也许意识所需的是，”科赫在加州理工学院说道，“一个足够复杂且具有大量反馈的系统。昆虫就有。如果你看看蘑菇体，它们是大规模并行且具有反馈的。”
化学线索证实，至少一些基本的大脑过程在人类和昆虫身上是相同的。范·斯温德伦和 NSI 的神经科学家罗兹·安德雷蒂克发现，产生多巴胺不足的突变苍蝇的显著性反应受损。给突变苍蝇喂食甲基苯丙胺——一种与用于治疗注意力缺陷/多动障碍的药物相关的化学物质——可以缓解多巴胺短缺，并使苍蝇的注意力正常化。但是给正常苍蝇喂食甲基苯丙胺，它们的注意力会下降。“脊椎动物和苍蝇存在类似的机制，”安德雷蒂克告诉我。“你需要最佳浓度的多巴胺，如果浓度太低或太高，你的表现都会受损。”在人类和苍蝇中，多巴胺释放细胞可能有助于协调涉及注意力现象的遥远大脑区域。
当你考虑到神经元本身在整个动物界都惊人地相似时，这一切似乎就说得通了。“脊椎动物和无脊椎动物拥有相同的基本构成单元，”斯特劳斯菲尔德说，“并且有特定的方式可以将这些构成单元组合成（大脑）。”因此，当涉及到构建像海马体这样能够识别地点的大脑中心时，可能只有一种方式将这些奇特的神经元连接起来来完成这项工作——而进化独立地多次达到了相同的解决方案，就像翅膀的遗传指令在不同的谱系中多次进化一样。
更令人惊讶的可能性是，大脑在生命历史中可能只进化过一次。遥远的亲戚——蟑螂和人类——可能从共同祖先 Urbilateria 继承了基本蓝图，Urbilateria 是所有两侧对称动物的最后一个共同祖先。目前没有发现这种生物的化石，但通过估计苍蝇和老鼠之间 DNA 序列分歧所需的时间，遗传学家估计 Urbilateria 生活在 6 亿到 10 亿年前。
通过与今天的海洋无脊椎动物进行类比，一些科学家认为 Urbilateria 在成年时栖息在海底，幼虫时期在水中游动，拥有像许多现存海洋幼体那样的简单眼睛。
对 Urbilateria 大脑计划的线索来自于研究今天生物的胚胎发育。在小鼠和果蝇胚胎中，德国海德堡欧洲分子生物学实验室的进化生物学家 Detlev Arendt 发现，参与大脑和神经索形成的细胞会分成三列细胞。至少一些控制柱状形成的基因在苍蝇和小鼠中是相同的。“这种模式非常具体，”Arendt 说，“显然，最后的共同祖先必须拥有这三列细胞。”
瑞士巴塞尔大学的海因里希·赖歇特发现了另一个惊人的相似之处。在胚胎生长过程中，一个在苍蝇和小鼠（以及由此推断的人类）中相似的基因会触发大脑分为前、中、后三个部分。缺乏该基因的小鼠会发生严重的大脑异常。但是将苍蝇版本的基因替换到这些突变小鼠中，可以纠正大部分异常。“这揭示了，”赖歇特说，“苍蝇、鱼类、老鼠和人类大脑之间存在着一种深刻的亲缘关系，这绝对是仅凭表面解剖无法预料的。”
当然，这些基因在胚胎早期就起作用，当时胚胎还很原始。因此，Urbilateria 可能拥有它们，但仍然几乎没有大脑。最终的答案将来自于识别和比较更多的昆虫和哺乳动物基因。特别令人感兴趣的是那些参与形成具有相似作用的复杂结构（如蘑菇体和海马体）的基因。
“价值百万美元的问题，”斯特劳斯菲尔德说，“将是涉及这些结构发育的基因是否在小鼠和苍蝇之间共享。那当然会令人激动。”
